光刻机是半导体制造中最核心的设备，它的作用是将电路图形从掩模精确地转印到硅片表面的光刻胶上。芯片中成千上万层的图形布局，都需要光刻机重复曝光才能逐层构建。因此，光刻机的原理本质上是一个“超精密成像系统”与“纳米级运动控制系统”的结合。

光刻原理的核心是光学成像。光源发出的高能光束照射到掩模（也叫光罩）上，掩模上刻有电路图形，光束通过掩模后携带这些图案信息。随后光束进入投影物镜，被缩小成1/4或1/5，再投射到涂有光刻胶的硅片表面。光刻胶对光敏感，曝光后在显影液中会被选择性溶解，从而留下与掩模图形对应的图案。后续再进行刻蚀、沉积、抛光等步骤，就能在硅片上形成不同材料和结构的层叠电路。

光刻分辨率直接受光波长和数值孔径（NA）决定。简单公式为：分辨率 ~ λ / (2 NA)。因此波长越短，成像越清晰。当今半导体光刻机主要分两类：DUV（深紫外光，波长193 nm）和EUV（极紫外光，波长13.5 nm）。DUV设备已广泛用于28 nm 以上节点，而EUV用于7 nm、5 nm、3 nm等先进制程。光刻机的不断升级，本质就是光源波长不断缩短，以及光学增透、计算光刻、沉浸式技术的持续进化。

光源是光刻机的第一关键环节。DUV光刻机通常使用氟化氙或氟化氩准分子激光器，其光稳定、能量强，能以几十千赫兹的频率发射脉冲，保证曝光效率。EUV光刻机则采用锡微滴激光等离子体光源：高速喷出的微小锡滴被强激光击中，形成高温等离子体，从而发出13.5 nm 极紫外光。这种光源难度极高，需要极高的反射效率和稳定性，还要在真空环境下运行，因为EUV波长无法在空气中传播。

光束通过光源后进入照明系统，它负责均匀光束、调整光斑形状、控制入射角度，让不同图形都能达到最佳成像质量。先进光刻机的照明系统具有可编程光场，可根据芯片设计需求调整光束，使得复杂图形也能成功曝光。

之后是掩模，也称光罩，是电路设计版图的实体存在。掩模由石英材料制成，图形结构仅几十纳米至毫米级不等。掩模必须保持极高精度，因为任何缺陷都会被复制到成千上万片晶圆上。在EUV光刻中，掩模本身也使用多层反射镜结构，使其能反射13.5 nm的极紫外光，这比传统透射式掩模更复杂。

投影物镜是光刻机中最昂贵的组件，决定了成像质量。DUV物镜由几十片透镜组成，形状、位置、材料均需严格控制，形变误差要小于纳米量级。有些DUV设备还采用“浸没式”光刻：在物镜与硅片之间加入高折射率的超纯水，使数值孔径提升到1.35，从而提高分辨率。EUV投影光学则完全靠多层反射镜，制造难度更高，每块镜面要在原子级别保持平整。

硅片放置在晶圆台上，它是光刻机的第二个技术核心。晶圆台采用磁浮或气浮平台，几乎无摩擦，并由多轴驱动系统控制位置，使运动平滑且精度达到纳米级。曝光往往采用扫描方式，即掩模台与晶圆台同步移动，保持光束在一个周期内均匀曝光，这个同步误差必须小于1 nm，否则图形就会发生扭曲。

光刻机内部布满计量与控制系统，包括激光干涉仪、光学传感器、焦距控制器、环境稳定器等。干涉仪实时测量晶圆台的位置、速度、旋转角度，反馈频率可达万次每秒。焦距系统负责确保硅片表面始终处在最佳焦平面上，因为硅片表面无法完全平整，不同区域的高度可能差几十纳米。温度控制也极其关键，任何组件的微小热膨胀都可能造成图形偏差，所以光刻机内部温度通常要保持在 ±0.01 °C。

光刻机的第二大技术难点是多光刻层的对位。每一层曝光都必须与之前的层精确重叠，误差不能超过几个纳米，否则芯片会失效。对位系统使用掩模对准标记、硅片刻蚀标记以及高速图像识别系统，实现实时对位。

总体来看，光刻机的原理是将光学、力学、材料科学、控制工程与计算技术融合，最终实现纳米级别的图案投影。它不仅是一台设备，更是全球科技高度集成的体现。光刻机越先进，半导体越先进，而半导体越先进，现代科技的上限就越高。